水電站尾水隧洞特大斷面爆破開挖施工技術

楊 超

(成昆鐵路有限責任公司， 四川成都 610031)

水電站尾水隧洞特大斷面爆破開挖施工技術

楊 超

(成昆鐵路有限責任公司， 四川成都 610031)

黃金坪水電站尾水隧洞開挖標準斷面積為494.08 m2，施工工段存在多處斷層帶，地質條件較復雜，大斷面施工給隧洞結構安全以及施工進度帶來較大的難度。為解決以上問題，施工中按照“平面多工序、立體多層次”的原則進行施工組織，根據不同開挖層的特點綜合應用光面爆破、預裂爆破技術，有效的減少超挖和爆破對圍巖的損害，在保證結構安全的前提下，提高了施工進度，工程的成功經驗可為類似工程提供參考。

尾水隧洞； 大斷面； 光面爆破； 預裂爆破

我國水電開發潛力巨大，水能資源蘊藏總量達6.76×108kW，多半集中在西部金沙江、雅碧江、大渡河、瀾滄江、鳥江、紅水河和黃河上游[1]。由于這一地區雨量充沛，河谷狹窄陡峻，適宜修建許多高水頭大容量的水電站，所以也常需要布置大斷面引水隧洞或高壩[2]。與交通隧洞相比，水電隧洞具有大斷面、高埋深、高地應力等特點，同時水電建設大壩的基礎開挖、地下廠房洞室群等開挖爆破工程量巨大，對爆破的技術要求也越來越高，這些特點給隧洞結構安全以及施工進度帶來了較大的難度[2]。針對以上問題，黃金坪水電站尾水隧洞工程在施工中按照“平面多工序、立體多層次”[3]的原則進行施工組織，結合現場爆破試驗效果與監控量測數據，根據不同開挖層的特點綜合應用光面爆破、預裂爆破[4]的分層控制爆破技術，施工中不僅避免了各工序之間的相互干擾，而且減少超挖和爆破對圍巖的損害，在保證結構安全的前提下，提高了施工進度。

1 工程概況

黃金坪水電站尾水隧洞處于大渡河上游河段，系大渡河干流水電規劃“三庫22級”的第11級電站，壩址位于四川省甘孜藏族自治州康定縣姑咱鎮黃金坪上游約3.2 km處。尾水隧洞斷面為城門洞型，其開挖準斷面為519.9 m2，縱坡i=0。尾水隧洞圍巖為斜長花崗巖、石英閃長巖，并穿插有花崗閃長～角閃斜長巖質混染巖。施工洞段存在斷層、裂隙密集帶及卸荷拉裂縫，巖體總體較完整，多呈次塊狀或鑲嵌結構，以Ⅲ類圍巖為主，斷層、裂隙密集帶及卸荷拉裂縫為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，部分洞段垂直、水平埋深較大，施工中有發生輕微～中等巖爆的可能。

2 爆破鉆爆設計及施工

2.1 總體開挖方案

尾水隧洞標準斷面尺寸為19.4 m×26.8 m，為保證結構安全與提高施工進度，隧洞開挖分4層進行，第Ⅰ層開挖高度8.5 m(首先快速貫通，兼作通風通道)，第Ⅱ層、第Ⅲ層開挖高度8.0 m，尾水隧洞橫斷面開挖順序見圖1。

圖1 橫斷面開挖順序示意

尾水隧洞縱斷面開挖施工順序見圖2，由2#施工支洞向上游方向完成尾水洞及連接洞上層開挖，降坡完成尾水支洞下層開挖。由于本工程尾水出口位置較高，為了改善上部施工條件與洞內通風效果，在第Ⅰ層開挖時，同時從出口方向向洞內開挖、支護至距預留巖塞下游面5 m位置，使第Ⅰ層開挖掌子面在洞內與外部貫通。同時為確保施工期間的安全度汛問題，在尾閘門下閘前，采用預留巖塞擋水，為避免巖塞在拆除時損壞閘門，巖塞與洞門之間預留15 m安全距離。

圖2 縱斷面開挖順序示意

尾水洞Ⅱ層的施工通道主要為2#施工支洞，由2#施工支洞分別向上、下游方向按照15 %的坡度降坡，先后進行2#施工支洞上、下游側的尾水洞Ⅱ-1層和Ⅱ-2層的開挖支護工作。

尾水洞Ⅲ層的施工通道主要為3#施工支洞，待2#施工支洞降坡完成尾水洞Ⅱ層的開挖支護施工后，首先進行尾水洞Ⅱ層底板與3#施工支洞頂部之間的爆通工作，然后由3#施工支洞分別向上、下游方向按照15 %的坡度爬坡。3#施工支洞上游側爬坡至尾水洞Ⅱ層的底板高程，進行Ⅱ層剩余部分的開挖支護工作，然后再分兩層完成尾水洞Ⅲ層的開挖支護工作。由3#施工支洞分別向上、下游方向按照15 %的坡度降坡后水平進行尾水洞Ⅳ層的開挖支護工作。

2.2 爆破參數的確定

根據《水工建筑物地下開挖工程施工規范》[5]《水利水電施工手冊》[6]與現場爆破施工實驗，頂拱中部開挖采用楔形掏槽的方式，周邊采用光面爆破；中層采用邊墻預裂爆破的施工方式；下層采用水平光面爆破，底部預留保護層開挖，保護層厚2.3 m。爆破參數根據以下公式并結合現場爆破試驗修訂。

不耦合系數η=孔徑/藥徑(工程取值為1.3～2)

(1)預裂爆破參數。

W=60～90

a=(7～20)d

q=0.042[σp]0.63a0.60

式中：W為最小抵抗線(cm)；a為炮孔間距；d為預裂孔徑，炮孔間距a對于硬巖和破碎巖體取小值，對于軟巖取大值；q為線裝藥密度(kg/m)，全孔裝藥量扣除底部增加的裝藥量后除以裝藥長度；σp為巖石極限抗壓強度(Mpa)，根據工程施工經驗，采用巖體極限抗壓強度值計算裝藥量偏高，宜選用極限抗壓強度的70 %～80 %或采用巖體抗壓強度更適宜。

(2)光面爆破參數。

W=(7～20)d

a=(1.0～1.5)W

q=kaW

式中:k為松動爆破單位耗藥量，可參考相關文獻[7]。

2.3 尾水隧洞第Ⅰ層開挖

為減小單次爆破規模，控制爆破振動，尾水隧洞Ⅰ層開挖分為中部和兩側擴挖3部分。中部開挖支護超前，兩側擴挖支護錯開跟進，中部開挖斷面為8m×8.7m，頂部一次性開挖至設計結構邊線，便于及時進行系統支護。開挖過程中需根據圍巖情況調整開挖進尺，Ⅱ、Ⅲ類圍巖開挖進尺中部按照3.0m進行控制，兩側擴挖按照4.0m進行控制，Ⅳ類圍巖中部及兩側擴挖進尺按1.5～2.0m控制，Ⅴ類圍巖(包含斷層帶)中部及兩側擴挖進尺按0.8～1.0m進行控制。

開挖采用自制鉆孔作業臺車，尾水洞中部開挖采用楔形掏槽的方式，周邊采用光面爆破，竹片間隔綁扎裝藥。兩側擴挖采用手風鉆水平造孔。開挖后采用裝載機配合自卸車出渣，反鏟進行清底及安全處理。第Ⅰ層開挖鉆爆設計見圖3，開挖效果見圖4。

圖3 尾水隧洞第Ⅰ層開挖鉆爆設計

圖4 第Ⅰ層開挖效果

2.4 尾水洞Ⅱ、Ⅲ層開挖

尾水洞Ⅱ、Ⅲ層的寬度均為19.4m，總高度均為8m，分為兩小層進行開挖(即每小層的層高為4m)，都采用邊墻預裂爆破的施工方式。

尾水洞Ⅱ、Ⅲ層中部采用手風鉆水平造孔，造孔孔徑為50cm。為確保設計開挖結構線的開挖最終成型質量，邊墻采用手風鉆垂直造孔預裂爆破的開挖方式。邊墻預裂孔間距50cm，采用竹片綁扎間隔裝藥。主爆孔采用φ32藥卷乳化炸藥，連續裝藥，采用非電毫秒雷管網絡爆破，起爆雷管使用電雷管引爆。爆破完成后，20 t自卸車出渣，反鏟進行安全處理及清底。第Ⅱ、Ⅲ層開挖鉆爆設計見圖5。

圖5 尾水隧洞第Ⅱ、Ⅲ層開挖鉆爆設計

2.5 尾水洞Ⅳ層開挖

尾水洞Ⅳ層為底板預留保護層，分層高度為2.3 m，寬為19.4 m，底板縱坡為0，采用周邊光面爆破、全斷面一次開挖方式。Ⅱ、Ⅲ級圍巖開挖進尺為4.5 m左右，Ⅳ類圍巖開挖進尺2.0～3.0 m，Ⅴ類圍巖開挖進尺1.5～2.0 m。鉆孔均采用人工手風鉆造孔，光爆孔采用φ25藥卷乳化炸藥，采用竹片綁扎間隔裝藥，邊墻光爆孔的線密度為150 g/m，底板光爆孔的線密度為250 g/m。主爆孔采用φ32藥卷乳化炸藥，連續裝藥，采用非電毫秒雷管網絡爆破，起爆雷管使用電雷管引爆。第Ⅳ層開挖鉆爆設計見圖6，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層邊墻爆破施工效果見圖7。

圖6 尾水隧洞第IV層開挖鉆爆設計

2.6 尾水洞支護方案

尾水隧洞第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層支護均主要采用采用φ32、L=8.0 m；φ28、L=6.0 m和φ25、L=4.5 m 3種規格的系統錨桿(根據不同的圍巖級別選擇)，掛φ6.5鋼筋網150 mm×150 mm(其中岔口段掛φ8鋼筋網200 mm×200 mm)，噴射C25混凝土，厚度20 cm。其中深孔錨桿采用多臂臺車、液壓潛孔鉆造孔，短錨桿采用手風鉆造孔，錨桿均采用 “先注漿、后插桿”的施工工藝施工，漿液均為M20砂漿，錨桿支護滯后開挖掌子面不大于60 m，Ⅳ、Ⅴ類圍巖錨桿支護跟進開挖掌子面。對于Ⅳ、Ⅴ類圍巖，先進行初期噴射10 cm厚的C25鋼纖維混凝土及系統錨桿支護，再噴射C25混凝土(厚10 cm)。第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層邊墻支護施工效果見圖8，錨桿施工見圖9。

3 結束語

黃金坪水電站的以下施工經驗可為類似工程參考:

(1)施工中按照“平面多工序、立體多層次”的原則進行特大斷面隧洞的施工組織和設計開挖方案，在保證隧洞安全的前提下，有利于各工序的平行開展，能較大的提高施工進度。

圖8 第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層邊墻支護施工效果

圖9 錨桿施工

(2)在尾水隧洞特大斷面開挖施工中，首先快速貫通上部導坑，再進行后續的開挖工作，不僅有利于改善通風條件，還為后續開挖工作的開展提供施工條件，提高了整個施工進度。

(3)尾水隧洞特大斷面開挖工程根據不同開挖層的特點綜合采用預裂爆破、光面爆破的控制爆破技術，并結合現場試驗與位移應力監控量測數據、爆破監測數據綜合分析指導施工，減少爆破和超挖對圍巖的擾動，較大程度的降低施工風險。

[1] 蔣鍵,周宇,和孫文.大型洞室群開挖爆破技術[J].工程爆破,2003,9(1).

[2] 張有天.水工隧洞建設的經驗和教訓[C].紀念貴州省水力發電工程學會成立20周年學術論文選集, 2005.

[3] 馬洪琪.大型水電工程建設技術[M].中國電力出版社,2011.

[4] 王玉杰,梁開水.爆破工程[M].武漢理工大學出版社,2007.

[5] SL 378-2007 水工建筑物地下開挖工程施工規范[S].

[6] 全國水利水電施工技術信息網組.水利水電施工手冊[M].中國電力出版社,2002.

[7] 朱永全，宋香玉.隧道工程[M].中國鐵道出版社,2010.

楊超(1987～)，男，碩士研究生，助理工程師，從事隧道施工的管理工作。

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[定稿日期]2016-09-12